Warum schillern Seifenblasen bunt? (Interferenz einfach erklärt)

Hast du dich eigentlich schon mal gefragt, warum eine Seifenblase bunt schillert? Woher kommt die Farbe? Magie? Gefärbtes Wasser?

Ist das Magie? Nein, einfache Physik! 

 

Hi, ich bin Havoc. Ich habe keinen Doktortitel, aber ich habe eine ungebrochene Liebe für die Dinge, die wir täglich sehen, aber selten verstehen. Heute klauen wir der Wissenschaft ihr elitäres Kleid und schauen uns an, warum eine simple Seifenblase im Sonnenlicht schillert wie ein flüssiger Regenbogen. Spoiler: Es ist keine Magie. Es ist nämlich simple PHYSIK!

Aber was passiert hier eigentlich genau? Das schauen wir uns jetzt mal an.

Die zwei Grundlagen des Lichtes: Spektralfarben und Lichtwellen

 

Dazu muss man vor allem zwei Dinge über das Sonnenlicht wissen:  

1. Was sind Spektralfarben? 

Das Sonnenlicht, das uns weiß oder farblos erscheint, ist eigentlich gar nicht weiß – es enthält alle Farben. Das kannst du z. B. bei einem Regenbogen gut erkennen, bei dem das Sonnenlicht in die einzelnen Spektralfarben (so nennt man diese Farben) aufgespalten wird. Aber auch mit einem Prisma kann man diesen Effekt nachstellen: 

Spektralfarben auf mein Bresser Teleskop projiziert 

 

2. Licht breitet sich wellenförmig aus.  

 

Das kannst du dir einfach wie Wasserwellen vorstellen. Wenn zwei Wellen aufeinandertreffen, beeinflussen sie sich gegenseitig. Trifft ein Wellenberg auf einen Wellenberg bzw. ein Wellental auf ein Wellental, verstärken sich diese beiden Wellen. Die Amplitude – also das Ausmaß, in dem diese Welle hin und her schwingt – wird größer. Das nennt man konstruktive Interferenz. Wenn jetzt aber ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, löschen sich diese beiden Wellen gegenseitig aus. Das ist destruktive Interferenz. 

 

 

Die Physik der Seifenhaut: Was passiert an der Oberfläche?

 

Schauen wir uns jetzt mal eine Seifenblase genauer an. Was ist das eigentlich?

Es ist eine Kugel aus einer hauchdünnen Seifenwasserschicht. Die Dicke dieser Schicht liegt im Bereich zwischen 100 und 1000 nm (1 nm ist ein Millionstel Millimeter. Das heißt, in einen einzigen Millimeter passen eine Million Nanometer – also verdammt dünn!).

Die Wellenlänge des Lichts – also der Abstand zwischen zwei Wellenbergen – befindet sich ebenfalls in dieser Größenordnung. Blaues Licht liegt bei ca. 400 nm, rotes Licht bei ca. 700 nm, alle anderen Farben liegen dazwischen.

Reflexion und Phasensprung an der Außen- und Innenseite

 

Wenn jetzt ein Strahl Sonnenlicht auf diese Seifenhaut trifft, passieren hier zunächst zwei Dinge:

Ein Teil des Lichts wird sofort an der Außenseite reflektiert. Und weil es sich hier um den Übergang vom optisch dünneren Medium (Luft) in ein optisch dichteres Medium (Seifenlauge) handelt, kommt es bei dieser Reflexion zu einem Phasensprung von 180°. Die reflektierte Welle ist dann also gespiegelt (quasi "auf den Kopf gestellt").

Das restliche Licht dringt in die Seifenhaut ein und wird erst am Übergang zur Luft auf der Innenseite reflektiert. Da hier der Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium ist, kommt es hier zu keinem Phasensprung.

Die Lichtwellen, die innen reflektiert wurden, treten dann natürlich wieder aus der Seifenhaut aus und treffen auf die Wellen, die direkt an der Außenseite reflektiert wurden. Und hier passiert das physikalische Wunder. Weil die erste Welle an der Außenseite gespiegelt wurde, haben sich die Regeln für die Überlagerung umgedreht:

• Der Umweg (die doppelte Dicke der Seifenhaut), den das Licht im Inneren zurücklegen musste, entscheidet jetzt über die Farbe, die wir an dieser Stelle sehen.
• Beträgt dieser Umweg genau eine halbe Wellenlänge (oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon), gleicht das den "Kopfstand" der ersten Welle perfekt aus: Wellenberg trifft wieder auf Wellenberg. Es kommt zu konstruktiver Interferenz – diese Farbe wird verstärkt und ist für uns sichtbar!
• Beträgt der Umweg hingegen eine ganze Wellenlänge (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon), treffen Wellenberg und Wellental aufeinander. Es kommt zu destruktiver Interferenz – diese Farbe löscht sich selbst aus und ist an dieser Stelle nicht zu sehen.

 

Warum wandeln sich die Farben ständig?

 

Weil jede Farbe des Sonnenlichts eine andere Wellenlänge hat, wird bei einer bestimmten Dicke der Seifenhaut immer nur eine ganz bestimmte Farbe verstärkt, während andere ausgelöscht werden.

Die Farbänderungen, also das wunderschöne Schillern der Seifenblase, kommen dann einfach daher, dass die Seifenhaut ständig in Bewegung ist und das Wasser nach unten abfließt – die Dicke ändert sich stetig. Somit ändern sich natürlich auch sekündlich die Farben, die wir an den verschiedenen Stellen sehen können.

Warum wird die Seifenblase kurz vor dem Platzen farblos? 

 

Wenn die Seifenhaut extrem dünn wird, kurz bevor sie platzt, ist der Umweg fast Null. Dann löschen sich durch den Phasensprung alle sichtbaren Farben aus. Die Seifenblase wird an dieser Stelle völlig farblos und fast unsichtbar!

 

Zum Schluss gibt's noch zwei Fun Facts:

1. Die Zeichnungen sind alle von mir. Nein, die hat kein Kind gemalt, sondern ich im Erwachsenenalter am PC. Nein, ich habe kein Talent zum Zeichnen. Ja, ich zeige sie trotzdem.

2. Vor 25 Jahren hat mir diese Frage eine Eins in der Physik-Matura eingebracht. Zwar erst in der Wiederholungsprüfung im Oktober 2001 (lange Geschichte), aber es ist tatsächlich die einzige Eins im Zeugnis! Grüße gehen an dieser Stelle an meinen damaligen Physiklehrer, Herr P - Vielen Dank für alles!